本帖最后由 iskywolf 于 2015-8-24 18:24 编辑
前言
STM32的串口波特率计算本来没多大个事,只不过ST的StdPeriph以及后继者STM32Cube计算波特率那块弄得很复杂。写此文的目的是避免新手在这一块被函数库误导了。
波特率计算公式
STM32F1系列波特率计算只有一个公式:
Tx/Rx Buad=PCLK/(16∗USARTDIV)
F2之后的系列有两公式,增加了8倍超采样的模式,将16换成8就行。关于超采样,指接收端以高于波特率的时钟来采集接收波形,以减少因线路干扰带来的误码。
16倍超采样下BRR的计算
STM32的usart波特率生成支持小数分频,BRR寄存器高12位是整数部分,低4位是小数部分。于是:
BRR=(PCLK/(16∗Baud))<<4=PCLK/Baud
So easy!你看硬件设计师都设计好了,波特率计算就这么简单。分析一下误差,定点除法是截尾,这样计算的分频系数误差最大1个bit,对于4位小数也就是1/16=0.0625,想要计算更精确一点就考虑舍入,BRR=(PCLK+Baud/2)/Baud,此时分频系数的舍入误差最大0.5bit,也就是0.03125。有些新手可能有点迷糊,其实用定点小数都是这样的思路,BRR就是个带4bit小数的定点小数而已。 以下讨论里用简化的PCLK/Baud,程序里一般写(PCLK+Baud/2)/Baud。实际由于STM32已经做了小数分频,其实两种算法结果差不多。只有当外设时钟设置的比较低(例如要考虑节能原因),而所需波特率又比较高时,才有必要考虑舍入问题。不放心的话用可以方便地试算BRR和误差量。UART通迅波特率误差一般要求<2.5%,实际误差大多小于1%。下表是外设时钟36M为例计算常见的波特率:
以下是8M外设时钟计算常见波特率:
8倍超采样下BRR的计算
至于8倍超采样的,跟16倍的一回事,只不过此时BRR寄存器小数位只用了3位,中间空了1个bit,要做一下移位。先按不移位计算:BRR=(PCLK/(8*Baud))<<3=PCLK/Baud,结果公式一模一样,然后将整数部分左移1位就行了。完整代码如下:
- uint16_t Div = PCLK/BAUD; //也可写成(PCLK + BAUD/2)/BAUD
- uint16_t DIV_Mantissa = (Div & ~0x7)<<1;
- uint16_t DIV_Fraction = Div & 0x07;
- BRR = DIV_Mantissa | DIV_Fraction;
复制代码 8倍超采样对精度没啥影响,可以提高波特率的上限。例如上表中8M时钟,用16倍超采样,波特率最高只能做到500k。改成8倍超采样,波特率最高就可以到1M了。
库函数代码的问题
不管16倍还是8倍,换算公式都这么简单,不知道函数库里为什么弄那么复杂。stm32f10x_stdperiph_lib_3.1.x是这样写的
- void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)
- {//....前面一段省略...
- /* Determine the integer part */
- integerdivider = ((0x19 * apbclock) / (0x04 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)));
- tmpreg = (integerdivider / 0x64) << 0x04;
- /* Determine the fractional part */
- fractionaldivider = integerdivider - (0x64 * (tmpreg >> 0x04));
- tmpreg |= ((((fractionaldivider * 0x10) + 0x32) / 0x64)) & ((uint8_t)0x0F);
- /* Write to USART BRR */
- USARTx->BRR = (uint16_t)tmpreg;
- }
复制代码
不知道你绕晕了没有,我是晕了。
stm32f10x_stdperiph_lib_3.4.0增加了8倍超采样的情况,一脉相承:
- void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)
- {//....前面一段省略...,以下修改了一下缩进,要不太长了
- /* Determine the integer part */
- if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) != 0) {
- /* Integer part computing in case Oversampling mode is 8 Samples */
- integerdivider = ((25 * apbclock) / (2 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)));
- }else { /* if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) == 0) */
- /* Integer part computing in case Oversampling mode is 16 Samples */
- integerdivider = ((25 * apbclock) / (4 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)));
- }
- tmpreg = (integerdivider / 100) << 4;
- /* Determine the fractional part */
- fractionaldivider = integerdivider - (100 * (tmpreg >> 4));
- /* Implement the fractional part in the register */
- if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) != 0){
- tmpreg |= ((((fractionaldivider * 8) + 50) / 100)) & ((uint8_t)0x07);
- } else {/* if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) == 0) */
- tmpreg |= ((((fractionaldivider * 16) + 50) / 100)) & ((uint8_t)0x0F);
- }
- /* Write to USART BRR */
- USARTx->BRR = (uint16_t)tmpreg;
- }
复制代码
到了STM32Cube时代,换算公式改成了宏。以下是来自STM32Cube_FW_F4_V1.5.0。
- #define UART_DIV_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) (((_PCLK_)*25)/(4*(_BAUD_)))
- #define UART_DIVMANT_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) (UART_DIV_SAMPLING16((_PCLK_), (_BAUD_))/100)
- #define UART_DIVFRAQ_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) (((UART_DIV_SAMPLING16((_PCLK_), (_BAUD_)) - (UART_DIVMANT_SAMPLING16((_PCLK_), (_BAUD_)) * 100)) * 16 + 50) / 100)
- #define UART_BRR_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) ((UART_DIVMANT_SAMPLING16((_PCLK_), (_BAUD_)) << 4)|(UART_DIVFRAQ_SAMPLING16((_PCLK_), (_BAUD_)) & 0x0F))
- #define UART_DIV_SAMPLING8(_PCLK_, _BAUD_) (((_PCLK_)*25)/(2*(_BAUD_)))
- #define UART_DIVMANT_SAMPLING8(_PCLK_, _BAUD_) (UART_DIV_SAMPLING8((_PCLK_), (_BAUD_))/100)
- #define UART_DIVFRAQ_SAMPLING8(_PCLK_, _BAUD_) (((UART_DIV_SAMPLING8((_PCLK_), (_BAUD_)) - (UART_DIVMANT_SAMPLING8((_PCLK_), (_BAUD_)) * 100)) * 16 + 50) / 100)
- #define UART_BRR_SAMPLING8(_PCLK_, _BAUD_) ((UART_DIVMANT_SAMPLING8((_PCLK_), (_BAUD_)) << 4)|(UART_DIVFRAQ_SAMPLING8((_PCLK_), (_BAUD_)) & 0x0F))
复制代码
思路清楚了一些,但换汤不换药。为了节省脑细胞就不做分析了。注意UART_BRR_SAMPLING8还弄错了,最后的 0x0F 应该是 0x07。
以下是我改写的STM32Cube版,自行替换:
- #define UART_BRR_SAMPLING16(_PCLK_, _BAUD_) (((_PCLK_)+(_BAUD_)/2)/_BAUD_)
- __INLINE static uint16_t UART_BRR_SAMPLING8(uint32_t _PCLK_, uint32_t _BAUD_)
- {
- uint16_t Div = (_PCLK_ + _BAUD_/2)/_BAUD_;
- return ((Div & ~0x7)<<1 | (Div & 0x07));
- }
复制代码
后记
这个问题由来已久,略有强迫症的我每更新stdperiph一个版本就要看看这个问题改进了没有。从F4开始用STM32CubeF4 1.5,发现了8超采样的bug,在ST官网论坛提了没人理,其后的1.6, 1.7版bug依旧。
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